WO2017006797A1 - 光学素子および発光装置 - Google Patents

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WO2017006797A1
WO2017006797A1 PCT/JP2016/069048 JP2016069048W WO2017006797A1 WO 2017006797 A1 WO2017006797 A1 WO 2017006797A1 JP 2016069048 W JP2016069048 W JP 2016069048W WO 2017006797 A1 WO2017006797 A1 WO 2017006797A1
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WO
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optical waveguide
light
phosphor
grating
layer
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PCT/JP2016/069048
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近藤　順悟
直剛 岡田
山口　省一郎
孝介 丹羽
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日本碍子株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers

Definitions

  • the present invention relates to an optical element and a device that emits white light.
  • a white light source combining a blue laser or an ultraviolet laser and a phosphor.
  • the light density of the excitation light can be increased by condensing the laser light, and the light intensity of the excitation light can be increased by condensing a plurality of laser lights on the phosphor.
  • the luminous flux and the luminance can be increased simultaneously without changing the light emitting area.
  • a white light source in which a semiconductor laser and a phosphor are combined attracts attention as a light source that replaces an LED.
  • the blue LED 2 is fixed to the container 3, and the phosphor-dispersed resin 4 is poured and cured thereon.
  • the resin 4 is obtained by mixing a powdery yellow phosphor 4b with a resin 4a such as silicon.
  • the light generated from the blue LED is wavelength-converted by the resin 4 and emitted as white light as indicated by an arrow A.
  • the white LED 1 can be mass-produced at a low cost.
  • the white LED using the phosphor resin as shown in FIG. 1 has a problem that it is weak against heat and water, and the fluorescent material is difficult to uniformly disperse in the resin.
  • the phosphor glass used for automotive headlights is the phosphor glass “Lumiface” from Nippon Electric Glass Co., Ltd. The body has been proposed.
  • the blue LED 2 and the phosphor glass 5 are fixed in the container 3.
  • the light generated from the blue LED is wavelength-converted by the phosphor glass 5 and emitted as white light as indicated by an arrow B.
  • Ce: YAG single crystal phosphors in which Ce is doped into yttrium aluminum garnet Y 3 Al 5 O 12 (YAG) have also been developed.
  • Ce: YAG phosphors have been realized by sintering synthesis or being dispersed in glass.
  • heat dissipation becomes difficult and efficiency is lowered. It was.
  • Patent Document 1 by converting YAG into a single crystal, even if the temperature rises, the conversion efficiency is not deteriorated, and high-efficiency fluorescence characteristics are exhibited, enabling application in the high power field.
  • This material can obtain white light by emitting yellow light which is a complementary color by 450 nm blue excitation light, and development for application to projectors and headlights is underway.
  • an element 1B as shown in FIG. 3 can be considered. That is, laser light is emitted from the blue semiconductor laser light source 2 as indicated by an arrow C, and is condensed on the phosphor glass plate 5 as indicated by an arrow D by the condensing optical system 7. As a result, white light is emitted from the phosphor glass plate 5 as indicated by an arrow E.
  • Non-Patent Document 1 proposes that white light is generated by irradiating an optical fiber made of phosphor glass with laser light.
  • Patent Document 4 discloses a structure in which a reflector made of a grating element is arranged on the output side of a laser light source.
  • the phosphor is disposed outside the apparatus, and an optical component such as a lens for condensing light is necessary, which is problematic in terms of miniaturization.
  • the axis is liable to be displaced by the vibration of the automobile, and the light emission efficiency is lowered. Furthermore, the phosphor deteriorates due to heat generation and moisture absorption, and the light emission efficiency decreases.
  • An object of the present invention is to provide a structure with high long-term reliability since the influence of heat generation of the light source is small and the number of parts is small when the phosphor is irradiated with laser light to emit fluorescence.
  • the present invention includes a support substrate, a clad provided on the support substrate, an optical waveguide core provided on the clad and having an entrance surface and an exit surface, and fluorescence provided on the exit surface side of the optical waveguide core
  • An optical element comprising a body layer, White light is generated by transmitting the propagation light of the optical waveguide core through the phosphor layer.
  • the present invention relates to a light emitting device comprising the optical element and a light source that oscillates incident light on the incident surface.
  • the phosphor when the phosphor is formed immediately above the light source, the phosphor deteriorates due to heat generated by the light source, and it is difficult to increase the output.
  • the light source and the optical element are separated, and the phosphor is provided on the emission surface side of the optical element. Therefore, the heat generated by the light source is difficult to propagate to the phosphor, and high output is possible.
  • the phosphor since the phosphor is provided on the exit surface side of the core, the deterioration of the phosphor can be further prevented by forming the support substrate with a material having high heat dissipation and thermal conductivity.
  • the spot size of the laser light irradiated on the phosphor is provided by providing an optical element on the emission surface side of the optical element to widen the width of the optical waveguide core. It is also possible to widen the above, whereby the heating can be further suppressed.
  • the support substrate of the grating element is positioned and bonded to the light source, a condensing optical system such as a lens is unnecessary, and the size can be easily reduced.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a light emitting device according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing which shows the light-emitting device of FIG. 5 typically. It is a perspective view which shows typically the light-emitting device which concerns on other embodiment of this invention. It is sectional drawing which shows the light-emitting device of FIG. 7 typically. An example in which a light source and an optical element are mounted on a common substrate 27 is shown.
  • FIG. 1 It is a perspective view showing an optical element using a ridge type optical waveguide core.
  • (A), (b), (c) is a cross-sectional view schematically showing each optical element.
  • (A), (b), (c) is a cross-sectional view schematically showing each optical element.
  • (A), (b) is a cross-sectional view which shows each optical element typically, respectively. It is a figure which shows the preferable planar pattern of an optical waveguide core.
  • the light emitting device of this example includes a light source module 22 and an optical element 10.
  • a plurality of light sources 11 are mounted on the support substrate 12 of the light source module 22, and each light source 11 is connected to the pad 20 by a wire 19.
  • Reference numeral 13 denotes an active layer.
  • the grating element 10 includes a support substrate 17, a lower clad layer 16 provided on the support substrate 17, a slab type optical waveguide core 14 provided on the lower clad layer 16, and an upper surface 14 c of the core 14.
  • An upper clad layer 15 is provided.
  • the core 14 has a thin plate shape, and an incident surface 14 a on which laser light is incident faces the plurality of light sources 11.
  • a phosphor layer 18 is provided on the emission surface 14 b of the core 14. In this example, the phosphor layer 18 covers the end surfaces of the upper cladding layer 15, the core 14, the lower cladding layer 16, and the support substrate 17. 14 d is the bottom surface of the core 14.
  • each active layer 13 of each light source 11 propagates in the slab type optical waveguide core 14 as indicated by an arrow F, exits from the exit surface 14b, and enters the phosphor layer 18. At this time, the propagation light undergoes wavelength conversion in the phosphor layer 18 to become white light and is emitted as indicated by an arrow H.
  • the optical waveguide core is not provided with a Bragg grating, but it is also preferable to provide a Bragg grating. In this case, it is preferable to form an external resonator between the Bragg grating and the active layer of the light source. 7 and 8 relate to this embodiment.
  • the light emitting device of this example includes a light source module 22 and a grating element 10A.
  • the light source module 22 is the same as that of FIG.
  • the grating element 10A includes a support substrate 17, a lower clad layer 16 provided on the support substrate 17, a slab type optical waveguide core 24 provided on the lower clad layer 16, and an upper surface 24c of the core 24.
  • An upper clad layer 15 is provided.
  • the core 24 has a thin plate shape, and an incident surface 24 a on which laser light is incident faces the plurality of light sources 11.
  • the phosphor layer 18 is provided on the emission surface 24 b of the core 24. In this example, the phosphor layer 18 covers the end surfaces of the upper clad layer 15, the core 24, the lower clad layer 16, and the support substrate 17.
  • Reference numeral 24 d denotes the bottom surface of the core 24.
  • an uneven Bragg grating 27 is formed at the interface between the optical waveguide core 24 and the upper cladding layer 15 to form a grating portion 24f.
  • An incident-side propagation part 24e without a Bragg grating can be provided between the incident surface 24a and the grating part 24f, and an emission-side propagation part 24g without a Bragg grating is provided between the emission surface 24b and the grating part 24f.
  • the Bragg grating 27 may be formed between the optical waveguide core 24 and the lower clad layer 16.
  • each active layer of each light source 11 enters the optical waveguide core 24 and propagates through the core 24 as indicated by an arrow F. At this time, a part of the light is reflected by the Bragg grating, and the reflected light propagates in the reverse direction as indicated by an arrow G and returns to the light source. This constitutes an external resonator between the Bragg grating and the active layer of the light source. Then, the propagation light of the core 24 is finally emitted from the emission surface 24b, undergoes wavelength conversion within the phosphor layer 18, and becomes white light and is emitted to the outside as indicated by an arrow H.
  • the wavelength is stabilized, and thereby the power is stabilized, so that variations in luminance and hue are reduced.
  • the chirp property of the grating will be described. If the period of the grating is changed depending on the position of the grating instead of fixing the period of the grating, the wavelength of the light propagating through the grating is reflected depending on the position of the grating. As a result, the broadening of the reflection wavelength band is called chirp property. As a result, the wavelength range in which laser oscillation is possible is widened, and the spectral width of the laser light can be widened. In addition, multimode oscillation can be facilitated, which makes it difficult for speckles to occur.
  • the support substrate (mount) of the light source module can be integrated with the support substrate on the grating element side to be the same common substrate. Therefore, the heat generated by the light source can be efficiently released toward the support substrate, and the heat can be hardly conducted to the phosphor.
  • the light source 11A is bonded onto the common substrate 25 with an adhesive layer 14 such as solder.
  • the slab type optical waveguide core is mounted on the common substrate 25 via the lower clad 16.
  • the end surfaces of the common substrate 25, the lower clad layer 16, the slab type optical waveguide core 24 and the upper clad layer 15 are covered with the phosphor layer 18.
  • FIG. 10 shows an example of an optical element using a ridge type optical waveguide.
  • the optical element 30 of this example includes a support substrate 17, a lower clad layer 16 provided on the support substrate 17, and an optical material layer 31 provided on the lower clad layer 16.
  • a ridge groove 33 is formed on, for example, the upper surface of the optical material layer 31, and a ridge type optical waveguide core 34 is formed.
  • the ridge groove 33 can also be formed on the bottom surface side of the optical material layer 31.
  • the core 34 includes an entrance surface 34a, an exit surface 34b, a grating portion 34d formed with a Bragg grating 32, an entrance-side propagation portion 34c between the grating portion 34d and the entrance surface 34a, and between the grating portion 34d and the exit surface 34b.
  • Output side propagation section 34e is formed on, for example, the upper surface of the optical material layer 31, and a ridge type optical waveguide core 34 is formed.
  • the ridge groove 33 can also be formed on the bottom surface side of the optical material layer 31.
  • the core 34 includes an entrance surface 34a, an exit surface 34b, a grating portion 34d formed with a Bragg grating 32, an entrance-side propagation portion 34c between the grating portion 34d and the
  • the light emitted from the active layer of the light source enters the optical waveguide core 34 and propagates through the core 34. At this time, a part of the light is reflected by the Bragg grating, and the reflected light propagates in the reverse direction as indicated by an arrow G and returns to the light source. This constitutes an external resonator between the Bragg grating and the active layer of the light source. Then, the propagation light of the core 34 is finally emitted from the emission surface 34b, undergoes wavelength conversion in the phosphor layer 18, and becomes white light and is emitted to the outside as indicated by an arrow H.
  • a plurality of ridge-type optical waveguide cores can be formed on the optical material layer, whereby the amount of light incident on the phosphor layer can be increased.
  • an optical material layer 31 is formed on the support substrate 17 via the lower buffer layer 16.
  • a pair of ridge grooves 33 are formed in the optical material layer 31, and a ridge type optical waveguide core 34 is formed between the ridge grooves.
  • the Bragg grating can be provided on the support substrate side of the optical waveguide core, or can be provided on the opposite side of the support substrate.
  • 37 is a thin part and 38 is an extended part. In this example, there is no upper cladding layer.
  • An adhesive layer may be provided between the lower clad layer 16 and the support substrate 17. Ts is the thickness of the optical waveguide core.
  • an upper cladding layer 15 is further formed on the optical material layer 31.
  • an optical material layer 31 is formed on the support substrate 17 with the lower clad layer 16 interposed therebetween.
  • a pair of ridge grooves 33 are formed in the optical material layer 31, and a ridge type optical waveguide core 34 is formed between the ridge grooves.
  • a ridge groove is provided on the support substrate side. 37 is a thin part and 38 is an extended part.
  • the optical waveguide is composed of a core made of an optical material, and a clad surrounds the core.
  • the cross section of the core (cross section in the direction perpendicular to the light propagation direction) is a convex figure.
  • the convex figure means that a line segment connecting any two points of the outer contour line of the core cross section is located inside the outer contour line of the core cross section.
  • a convex figure is a general geometric term. Examples of such figures include triangles, quadrangles, hexagons, octagons, and other polygons, circles, ellipses, and the like.
  • a quadrangle having an upper side, a lower side and a pair of side surfaces is particularly preferable, and a trapezoid is particularly preferable.
  • an optical waveguide core 41 made of an optical material is formed on a support substrate 17 via a lower clad layer 16.
  • the cross-sectional shape of the core 41 is a trapezoid, and the upper surface 41a is narrower than the lower surface 41b.
  • An adhesive layer can also be formed between the clad layer 16 and the support substrate 17.
  • a cladding layer 42 is provided on the support substrate 17, and an optical waveguide core 41 made of an optical material is embedded in the cladding layer 42.
  • the clad layer 42 has an upper surface covering portion 42b covering the upper surface of the optical waveguide core, a side surface covering portion 42c covering the side surface of the optical waveguide, and a bottom surface covering portion 42a positioned between the optical waveguide and the support substrate.
  • a clad layer 42 is provided on the support substrate 17, and an optical waveguide core 41A made of an optical material is embedded in the clad layer 42.
  • the clad layer 42 includes an upper surface covering portion 42b covering the upper surface of the core, a side surface covering portion 42c covering the side surface of the core, and a bottom surface covering portion 42a between the core and the support substrate.
  • an optical waveguide core 41 made of an optical material is formed on the support substrate 17 via the lower clad layer 16.
  • An upper cladding layer 43 is formed on the side surface and the upper surface 41 a of the optical waveguide core 41 to cover the optical waveguide core 41.
  • the upper clad layer 43 has a side surface covering portion 43 b that covers the side surface of the optical waveguide 41 and an upper surface covering portion 43 a that covers the upper surface.
  • an optical waveguide core 41A made of an optical material is formed.
  • the cross-sectional shape of the optical waveguide 41A is a trapezoid, and the lower surface is narrower than the upper surface.
  • the upper clad layer 43 has a side surface covering portion 43b that covers the side surface of the optical waveguide core 41A and an upper surface covering portion 43a that covers the upper surface.
  • the width W of the optical waveguide means the minimum value of the width of the optical waveguide in the cross section.
  • the width W of the optical waveguide is the width of the upper surface
  • the width W of the optical waveguide is the width of the lower surface. is there.
  • the optical waveguide is a channel-type optical waveguide
  • the width of the optical waveguide on the exit surface is larger than the width of the optical waveguide on the entrance surface of the optical element.
  • FIG. 14 relates to this embodiment, and shows a planar pattern of the channel type optical waveguide 51 formed in the optical element 50.
  • the optical waveguide 51 includes an incident part 51a, a grating part 51b provided with a grating, a tapered part 51c, and an emitting part 51d.
  • W out / W in is preferably 2 or more, and particularly preferably 5 or more.
  • W out / W in is preferably 1000 or less, particularly preferably 500 or less.
  • the width W gr of the grating portion is preferably 3 ⁇ m or more, more preferably 5 ⁇ m or more, from the viewpoint of suppressing the speckle noise by setting the transverse mode to the multi-mode.
  • the width W gr of the grating portion is preferably 10 ⁇ m or less, and more preferably 7 ⁇ m or less, from the viewpoint of stabilizing laser oscillation. If W gr is larger than the spot size of the light source (near-field diameter) is provided with a tapered portion in the input unit, the W in can be smaller than W gr.
  • the width W gr of the grating part 51b is the same as the width W in of the incident part.
  • the width of the tapered portion 51c is a W in the incident side, on the exit surface side is turned W out, gradually increases towards to the exit surface 51f side from the incident surface 51e side therebetween.
  • the widths W in , W out , W gr of the channel type optical waveguide are determined in the same manner as the width W described above.
  • the total length L wg of the optical element is not particularly limited, but is usually preferably 1 mm to 30 mm.
  • the length L g of the grating portion 51d, the terms of functions as an external resonator, is preferably not less than 10 [mu] m.
  • the length L tp of the tapered portion 51b is preferably 50 ⁇ m to 5000 ⁇ m from the viewpoint of reducing propagation loss.
  • a reflective film that reflects radiation light from the optical waveguide is provided between the cladding under the optical waveguide core and the support substrate.
  • a reflective film may be a metal film such as gold, aluminum, copper, silver, or a dielectric multilayer film.
  • a metal layer such as Cr, Ni, or Ti can be formed as a buffer layer of the metal film so that the clad layer formed thereon is not peeled off.
  • the Bragg grating can be formed by physical or chemical etching as follows.
  • a metal film such as Ni, Ti, or Cr is formed on the optical material layer, and windows are periodically formed by photolithography to form an etching mask. Thereafter, periodic grating grooves are formed in the cladding layer by a dry etching apparatus such as reactive ion etching. Next, the metal mask is removed.
  • the ridge-type optical waveguide is obtained by, for example, physical processing and molding by cutting with an outer peripheral blade or laser ablation processing.
  • the ridge type optical waveguide can also be formed by dry etching.
  • the material of the lower clad layer and the upper clad layer may be a material having a refractive index smaller than that of the optical waveguide layer, and may be an adhesive layer.
  • the upper cladding layer may be air, which is equivalent to the case without the upper cladding layer.
  • the material of each cladding layer is particularly preferably SiO 2 , MgF 2 , or CaF 2 .
  • the material of the optical waveguide core may be an oxide containing SiO 2 , an oxide such as Al 2 O 3 , MgO, TiO 2 , Ta 2 O 5 , or a glass material containing SiO 2 .
  • the specific material of the support substrate is not particularly limited, and may be glass such as lithium niobate, lithium tantalate, quartz glass, or quartz.
  • a support substrate having good heat dissipation characteristics can be used.
  • alumina, aluminum nitride, silicon carbide, Si and the like can be exemplified.
  • each end face of the light source element and the grating element may be cut obliquely in order to suppress the end face reflection.
  • the grating element and the support substrate may be bonded together by adhesion or direct bonding.
  • the grating element may be formed on the support substrate by a film forming method such as sputtering, vapor deposition, or CVD.
  • a non-reflective film (not shown) can be provided on the outer end surface opposite to the optical element of the light source.
  • a low reflection film can be provided on the end surface of the active layer on the optical element side, but a non-reflection film can also be formed. Further, a non-reflective film (not shown) can be provided on the incident surface of the optical waveguide of the optical element.
  • the reflectance of these non-reflective films may be a value smaller than the grating reflectance, and is preferably 0.1% or less. However, as long as the reflectance at the end face is smaller than the grating reflectance, the non-reflective film may be omitted, and a reflective film may be provided instead of the non-reflective film.
  • the reflectance of the non-reflective layer needs to be less than or equal to the grating reflectivity, and examples of the film material formed on the non-reflective layer include films laminated with oxides such as silicon dioxide, tantalum pentoxide, and magnesium fluoride. it can.
  • the oscillation wavelength of the laser light is determined by the wavelength reflected by the Bragg grating. If the reflected light from the Bragg grating and the reflected light from the end face of the active layer on the grating element side exceed the laser gain threshold, the oscillation condition is satisfied. Thereby, a laser beam with high wavelength stability can be obtained.
  • the feedback amount from the grating may be increased.
  • the reflectance of the grating is preferably larger than the reflectance at the end face of the active layer.
  • a semiconductor laser made of a GaN-based material having high reliability is preferable for exciting phosphor glass for illumination.
  • a light source such as a laser array arranged in a one-dimensional manner can also be realized. It may be a super luminescence diode or a semiconductor optical amplifier (SOA).
  • a single layer film made of a material having a refractive index lower than that of the material of the optical waveguide is formed on the incident surface of the optical waveguide.
  • the thickness of such a single layer film does not need to be determined exactly as in the AR coating, and end face reflection can be reduced simply by forming a single layer film.
  • the degree of reflection suppression may be reduced or eliminated depending on the relationship between the refractive index and the thickness between the multilayer films, and it is necessary to control the thickness of each layer of the multilayer film. Therefore, the single layer film is superior. Thereby, the end surface reflectance of the optical element can be surely reduced as compared with the case where there is no single layer film.
  • the thickness of the single layer film is preferably 1 ⁇ m or less.
  • a plurality of light source elements are arranged in parallel on the array and input to the optical waveguide, thereby realizing a miniaturized and high output lighting device.
  • the method for generating white light from the semiconductor laser and the phosphor is not particularly limited, but the following methods are conceivable.
  • Method of obtaining white light by generating yellow fluorescence with blue laser and phosphor Method of obtaining white light by generating red and green fluorescence with blue laser and phosphor Red, blue with phosphor from blue laser or ultraviolet laser
  • Method of generating green fluorescence and obtaining white light Method of obtaining blue and yellow fluorescence with a phosphor from a blue laser or ultraviolet laser to obtain white light
  • the phosphor glass is obtained by dispersing rare earth element ions in a base glass.
  • the base glass include silica, boron oxide, calcium oxide, lanthanum oxide, barium oxide, zinc oxide, phosphorus oxide, aluminum fluoride, magnesium fluoride, calcium fluoride, strontium fluoride, and oxide glass containing barium chloride.
  • YAG yttrium, aluminum, garnet
  • YAG yttrium, aluminum, garnet
  • the rare earth element ions dispersed in the phosphor glass are preferably Tb, Eu, Ce, and Nd, but may be La, Pr, Sc, Sm, Er, Tm, Dy, Gd, and Lu.
  • TAG terbium, aluminum, garnet
  • sialon BOS (barium orthosilicate)
  • Examples include YAG (yttrium, aluminum, garnet) and LuAG (lutetium, aluminum, garnet).
  • the phosphor may be a sintered and synthesized polycrystal or a single crystal. From the viewpoint of reducing light propagation loss, a single crystal phosphor is preferable.
  • Y 3 Al 5 O 12 doped with rare earth element ions such as Tb, Eu, Ce, and Nd is preferable.
  • Example 1 An illumination module as shown in FIG. 5 was produced. Specifically, on the support substrate 17 made of aluminum nitride, a lower clad layer 16 made of SiO 2 is formed with a thickness of 1.0 ⁇ m by a sputtering apparatus, and then alumina ( Al 2 O 3 ) was formed to a thickness of 2 ⁇ m. Further, the upper clad layer 15 made of SiO 2 was formed to a thickness of 0.5 ⁇ m with a sputtering apparatus.
  • the chip was cut to produce a slab type waveguide grating element.
  • the element size was set to a width of 10 mm and a length L wg of 10 mm.
  • a GaN blue laser light source 11 having a wavelength of 450 nm and an output of 30 mW was mounted on a support substrate 12 made of aluminum nitride. This light source was optically coupled to a chipped grating element and fixed with AuSn solder to produce a module.
  • the module was 10 mm wide, 20 mm long, and 2 mm high.
  • Example 2 An illumination module as shown in FIGS. 7 and 10 was produced.
  • the cross-section of the ridge-type optical waveguide has a shape shown in FIG.
  • a lower clad layer 16 made of SiO 2 is formed with a thickness of 1.0 ⁇ m by a sputtering apparatus, and then alumina as a core 24 is formed by a sputtering apparatus.
  • Al 2 O 3 Al 2 O 3
  • Ti film was formed on the core 24 by a sputtering apparatus, and a grating pattern was formed by etching using an electron beam exposure and reactive ion etching apparatus.
  • this Ti pattern was etched using SiO 2 as a mask with the same apparatus as above to form a grating groove having a pitch interval of ⁇ 128 nm and a length of 100 ⁇ m, and a Bragg grating 27 was obtained.
  • the groove depth t d of the grating was 200 nm.
  • a ridge groove 33 and a ridge type optical waveguide core 34 having a depth of 1.6 ⁇ m were formed by reactive ion etching in the same manner as described above.
  • the width W in of the laser light input portion, the width W gr of the grating portion is 3 ⁇ m
  • the width W out of the emission portion is 50 ⁇ m
  • the width is between the grating portion and the emission portion.
  • the taper part which changes gradually is provided.
  • the length L tp of the tapered portion was 3 mm.
  • the upper clad layer 15 made of SiO 2 was formed to a thickness of 0.5 ⁇ m with a sputtering apparatus.
  • the chip was cut to produce a ridge-type waveguide grating element.
  • the element size was set to a width of 10 mm and a length L wg of 10 mm.
  • a GaN-based blue laser light source having a wavelength of 450 nm and an output of 30 mW mounted on an aluminum nitride substrate was optically coupled to the chipped grating element, and fixed with AuSn solder to produce a module.
  • the module was 10 mm wide, 20 mm long, and 2 mm high.
  • the output fluctuation was within 1%.
  • an external resonator using a grating is formed, the multimode property of the longitudinal mode becomes remarkable, the oscillation wavelength region is expanded, and the power is stabilized. I understood it.
  • the width W gr of the grating portion is as large as 50 ⁇ m and the transverse mode is multi-mode, reflection by the grating occurs at a plurality of wavelengths.
  • the half-value width of the reflection characteristic of the grating is, for example, about 6 nm in the fundamental mode, it can be estimated that the multimode property becomes more prominent because there is a wavelength region where the reflection characteristic of the transverse mode overlaps. Thereby, speckle noise can also be suppressed.
  • Example 3 As in Example 2, lighting modules as shown in FIGS. 7 and 10 were produced. However, the cross-section of the ridge-type optical waveguide has a shape shown in FIG.
  • Example 2 four ridge type optical waveguides were formed at intervals of 80 ⁇ m. Thereafter, a laser array in which the same laser light sources as those in Example 2 were arranged at intervals of 80 ⁇ m was opposed to produce a module.
  • the module was 10 mm wide, 20 mm long, and 2 mm high.
  • the output fluctuations were each within 1%.
  • an external resonator using a grating is configured for each, and the multimode property of the longitudinal mode becomes remarkable, the oscillation wavelength region is expanded, and the power is increased. It turned out to be stable.
  • the width W out of the emission part and the width W gr of the grating part are each increased to 50 ⁇ m as in the second embodiment, and the transverse mode is a multimode, so that reflection by the grating occurs at a plurality of wavelengths. .
  • the half-value width of the reflection characteristic of the grating is, for example, about 6 nm in the fundamental mode, it can be estimated that the multimode property becomes more prominent because there is a wavelength region where the reflection characteristic of the transverse mode overlaps. Thereby, speckle noise can also be suppressed.
  • Comparative Example 1 An illumination module as shown in FIG. 3 was produced. A ⁇ 10 mm lens and a 50 ⁇ m-thick phosphor were attached to the module package, and a laser light source having the same characteristics as the CAN type Example 1 was optically aligned and fixed with AuSn solder to produce a module. The module had a diameter of 12 mm and a length of 40 mm.
  • the module characteristics were measured.
  • the spot shape of the near field on the emission surface from the phosphor was a diameter of 10 ⁇ m. Further, an average of 2.7 lm of white light could be observed from the output side of the module. At this time, when operated continuously for 100 hours, it was confirmed that the output fluctuation was ⁇ 10%. This is probably because the spot shape is small, and the phosphor is heated by light absorption in the phosphor portion, and the efficiency fluctuates.

Abstract

光学素子１０は、支持基板１７、支持基板上に設けられたクラッド１６、クラッド上に設けられ、入射面１４ａと出射面１４ｂを有する光導波路コア１４、および光導波路コアの出射面側に設けられた蛍光体層１８を備える。光導波路コア１４を伝搬する光を蛍光体層１８に透過させることによって白色光Ｈを発生する。

Description

光学素子および発光装置
　本発明は、光学素子および白色光を発光する装置に関するものである。
　最近、レーザ光源を用いた自動車用ヘッドライトの研究が盛んに行われており、その内の一つに、青色レーザあるいは紫外レーザと蛍光体を組み合わせた白色光源がある。レーザ光を集光することにより、励起光の光密度を高めることができる上に、複数のレーザ光を蛍光体上に重ねて集光することで、励起光の光強度も高めることができる。これによって、発光面積を変えずに光束と輝度とを同時に大きくすることができる。このため、半導体レーザと蛍光体とを組み合わせた白色光源が、ＬＥＤに替わる光源として注目されている。
　一般的な樹脂製蛍光体による白色ＬＥＤの場合には、例えば図１に模式的に示すように、容器３に青色ＬＥＤ２を固定し、その上に蛍光体分散樹脂４を流し込んで硬化させる。樹脂４は、パウダー状の黄色蛍光体４ｂをシリコン等の樹脂４ａに混合したものである。青色ＬＥＤから発生した光は、樹脂４で波長変換され、白色光として矢印Ａのように出射される。この構造により、白色ＬＥＤ１を低コストで量産できるようになった。
　しかし、図１のように蛍光体樹脂を用いた白色ＬＥＤは、熱や水に弱く、また蛍光材が樹脂内に均一に分散しにくいことが問題であった。
　一方、自動車用ヘッドライトに使用する蛍光体ガラスは、日本電気硝子株式会社の蛍光体ガラス「ルミファス」や国立研究開発法人物質・材料研究機構と株式会社タムラ製作所、株式会社光波のＹＡＧ単結晶蛍光体が提案されている。
　例えば図２に示すチップ１Ａでは、容器３内に青色ＬＥＤ２と蛍光体ガラス５とを固定している。青色ＬＥＤから発生した光は、蛍光体ガラス５で波長変換され、白色光として矢印Ｂのように出射される。
　また、上述したように、照明用蛍光体については、イットリウムアルミニウムガーネットＹ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）にＣｅをドープしたＣｅ：ＹＡＧ単結晶蛍光体も開発されている。従来、Ｃｅ：ＹＡＧ蛍光体は、焼結合成したり、ガラスに分散させるなどして実現されてきたが、励起光のパワー密度が上がると放熱が困難になり、効率が低下するという問題があった。
　特許文献１によると、ＹＡＧを単結晶化することにより、温度が上昇しても変換効率が劣化せず高効率の蛍光特性を示し、ハイパワー分野での応用が可能となった。この材料は、４５０ｎｍ青色励起光によって補色である黄色光を発することによって白色光を得ることができ、プロジェクターやヘッドライトへ適用するための開発が進められている。
　一方、例えば自動車用ヘッドライトでは、図３、図４に模式的に示すように、光学系を用いることでＬＥＤと蛍光体を空間的に分離することが考えられる。
　例えば、図３に示すような素子１Ｂが考えられる。すなわち、青色半導体レーザ光源２からレーザ光を矢印Ｃのように発光させ、集光光学系７によって矢印Ｄのように蛍光体ガラス板５に集光する。これによって、蛍光体ガラス板５から白色光が矢印Ｅのように発光する。
　また、白色光の輝度を上げたい場合には、複数の光源を使用する。すなわち、図４に示すように，複数の青色半導体レーザ光源２からレーザ光を発光させ、集光光学系７Ａによって蛍光体ガラス板５に集光し、蛍光体ガラス板５から白色光を矢印Ｄのように発光させる。そして、この白色光Ｄをパラボラリフレクタ８によって投光し、フィルタ９を通して外部に白色光を投射する。フィルタ９は、青色レーザ光の外部への投射を防止するものである。
　また、非特許文献１には、蛍光体ガラスからなる光ファイバーにレーザ光を照射し、白色光を発生させることが提案されている。
　レーザ光源とグレーティング素子を使用した照明装置として、特許文献４では、レーザ光源の出力側にグレーティング素子からなる反射体を配置している構造が開示されている。この装置では、蛍光体は装置の外側に配置されており、集光させるためのレンズ等の光部品が必要になることから、小型化という観点で問題となる。
特許第５６２０５６２号 特許３８６４９４３ ＷＯ　２０１３／０７３７０１　Ａ１ 特許５２３１９９０
「Materials Integration」  Vol.17, No3, 2004，５１～５６頁　「蛍光ガラスの開発」　沢登成人 古河電工時報　平成12年1月　第105号　p24-29
　しかし、図１、図２のように青色ＬＥＤ上に蛍光体を載せたチップでは、青色ＬＥＤと蛍光体とが接触しているので、ＬＥＤの熱の影響から蛍光体の温度が高くなり、長期信頼性に問題があると思われる。
　図３、図４のようなチップでは、集光するために必要な光学系の部品点数が多く、実装工程が多く、コストが高くなる。また、自動車の振動によって軸ずれが生じやすく、発光効率が下がる。更に、発熱や吸湿により蛍光体が劣化し、発光効率が下がる。
　蛍光体ガラスからなる光ファイバーにレーザ光を照射し、白色光を発生させることも考えられる。しかし、この場合には、蛍光体ガラスからなる光ファイバーからの出力光の出力や波長に変動が見られる。
　本発明の課題は、レーザ光を蛍光体に照射して蛍光を発光させるのに際して、光源の発熱の影響が少なく、また部品点数が少ないことから長期信頼性が高い構造を提供することである。
　本発明は、支持基板、前記支持基板上に設けられたクラッド、前記クラッド上に設けられ、入射面と出射面を有する光導波路コア、および前記光導波路コアの前記出射面側に設けられた蛍光体層を備えている光学素子であって、
　前記光導波路コアの伝搬光を蛍光体層に透過させることによって白色光を発生することを特徴とする。
　また、本発明は、前記光学素子、および前記入射面への入射光を発振する光源を備えていることを特徴とする、発光装置に係るものである。
　図１、２に示すように、蛍光体を光源の直上に形成した場合には、光源の発熱で蛍光体が劣化してしまい、高出力化が難しい。これに対して、本発明では、光源と光学素子とを分離し、蛍光体を光学素子の出射面側に設けている。従って、光源の発熱が蛍光体に伝搬しにくく、高出力化が可能である。その上、コアの出射面側に蛍光体を設けることから、支持基板を放熱性、熱伝導性の高い材料によって形成することで、蛍光体の劣化を一層防止できる。
　一方、レーザ照明の場合には、従来の構造では蛍光体に照射する面積が小さくなるために、変換にともなう発熱により蛍光体が加熱して、それにより変換効率が劣化していた。本発明では、上記のように放熱特性をよくすることに加えて、光学素子の出射面側に光学素子を設けて光導波路コアの幅を広げることによって、蛍光体に照射するレーザ光のスポットサイズを広げることも可能であり、これによって上記加熱を更に抑制できる。
　更に、グレーティング素子の支持基板を光源に対して位置決めして接合することで、レンズ等の集光光学系が不要であり、小型化が容易である。
　なお、従来は、複数の光源を使用する場合には、それぞれ集光光学系レンズを使用する必要があり、装置が大きくなり、実装が大変になっていた。本発明では、グレーティング素子の支持基板上に蛍光体を実装することで、レンズを必要とせずに複数の光源を容易にアレイ化することができるので、コンパクトな構造となり、実装も容易となる。
従来の白色ＬＥＤの例である。 従来の白色ＬＥＤの例である。 集光光学系を使用した照明装置の例である。 集光光学系を使用した照明装置の例である。 本発明の実施形態に係る発光装置を模式的に示す斜視図である。 図５の発光装置を模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る発光装置を模式的に示す斜視図である。 図７の発光装置を模式的に示す断面図である。 共通基板２７上に光源と光学素子とを実装した例を示す。 リッジ型光導波路コアを用いた光学素子を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、各光学素子を模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、各光学素子を模式的に示す横断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、各光学素子を模式的に示す横断面図である。 光導波路コアの好ましい平面的パターンを示す図である。
　以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
　図５、図６は、本発明の実施形態に係る発光装置を示すものである。
　本例の発光装置は、光源モジュール２２と光学素子１０とを備えている。光源モジュール２２の支持基板１２上には、複数個の光源１１が実装されており、各光源１１は、パッド２０に対してワイヤー１９によって接続されている。１３は活性層である。
　一方、グレーティング素子１０には、支持基板１７、支持基板１７上に設けられた下側クラッド層１６、下側クラッド層１６上に設けられたスラブ型光導波路コア１４、およびコア１４の上面１４ｃを被覆する上側クラッド層１５を備えている。コア１４は薄板状であり、レーザ光が入射する入射面１４ａが複数の光源１１に対向している。コア１４の出射面１４ｂ上には蛍光体層１８が設けられている。本例では、蛍光体層１８は、上側クラッド層１５、コア１４、下側クラッド層１６および支持基板１７の各端面を被覆している。なお、１４ｄはコア１４の底面である。
　各光源１１の各活性層１３から発振した光は、スラブ型光導波路コア１４内を矢印Ｆのように伝搬し、出射面１４ｂから出射して蛍光体層１８に入射する。この際、伝搬光は蛍光体層１８内で波長変換を受けて白色光となり、矢印Ｈのように放射される。
　上の例では光導波路コアにブラッググレーティングを設けていないが、ブラッググレーティングを設けることも好ましい。この場合には、ブラッググレーティングと光源の活性層との間で外部共振器を構成することが好ましい。図７、図８はこの実施形態に係るものである。
　本例の発光装置は、光源モジュール２２とグレーティング素子１０Ａとを備えている。光源モジュール２２は、図５のものと同じである。一方、グレーティング素子１０Ａには、支持基板１７、支持基板１７上に設けられた下側クラッド層１６、下側クラッド層１６上に設けられたスラブ型光導波路コア２４、およびコア２４の上面２４ｃを被覆する上側クラッド層１５を備えている。コア２４は薄板状であり、レーザ光が入射する入射面２４ａが複数の光源１１に対向している。コア２４の出射面２４ｂには蛍光体層１８が設けられている。本例では、蛍光体層１８は、上側クラッド層１５、コア２４、下側クラッド層１６および支持基板１７の各端面を被覆している。なお、２４ｄはコア２４の底面である。
　本例では、光導波路コア２４と上側クラッド層１５との界面に、凹凸からなるブラッググレーティング２７が形成されており、グレーティング部２４ｆを構成している。なお、入射面２４ａとグレーティング部２４ｆとの間に、ブラッググレーティングのない入射側伝搬部２４ｅを設けることができ、出射面２４ｂとグレーティング部２４ｆとの間に、ブラッググレーティングのない出射側伝搬部２４ｇを設けることもできる。なお、ブラッググレーティング２７は、光導波路コア２４と下側クラッド層１６との間に形成してもよい。
　各光源１１の各活性層から出射した光は、光導波路コア２４に入射し、コア２４を矢印Ｆのように伝搬する。このときブラッググレーティングによって一部が反射され、反射光が矢印Ｇのように逆方向に伝搬して光源に戻る。これによってブラッググレーティングと光源の活性層との間で外部共振器を構成する。そして、コア２４の伝搬光は最終的に出射面２４ｂから出射し、蛍光体層１８内で波長変換を受け、白色光となって矢印Ｈのように外部に放射される。
　光導波路コアにブラッググレーティングを形成することにより、波長が安定化し、これによりパワーが安定化するために、輝度のばらつき、色合いのばらつきが小さくなる。
　更には、ブラッググレーティングの反射特性にチャープ性を持たせることにより、広い波長範囲で発振させることができるので、スペックルの問題を解決できる。
　なお、グレーティングのチャープ性について述べる。グレーティングの周期を固定するのでなく、グレーティングの周期をグレーティングの位置によって変化させると、グレーティングを伝搬する光についてグレーティングの位置によって反射する波長が異なる。この結果として反射波長の帯域が広くなることをチャープ性という。
　これによりレーザ発振が可能となる波長領域が広くなり、レーザ光のスペクトル幅を広くすることができる。またマルチモード発振しやすくすることもでき、これらによりスペックルが発生しにくくなる。
　好適な実施形態においては、光源モジュールの支持基板（マウント）は、グレーティング素子側の支持基板と一体化し、同一の共通基板とすることができる。これにより、光源によって発生した熱を支持基板の方へ効率的に逃がすことができ、蛍光体へ熱が伝導しにくくできる。
　例えば図９の素子１０Ｂでは、共通基板２５上に光源１１Ａをはんだ等の接着層１４によって接着している。これとともに、スラブ型光導波路コアを下側クラッド１６を介して共通基板２５上に実装している。なお、本例では、共通基板２５、下側クラッド層１６、スラブ型光導波路コア２４および上側クラッド層１５の端面を蛍光体層１８によって被覆している。
　図１０は、リッジ型光導波路を用いた光学素子を示す例である。
　本例の光学素子３０は、支持基板１７、支持基板１７上に設けられた下側クラッド層１６、下側クラッド層１６上に設けられた光学材料層３１を備えている。
　光学材料層３１の例えば上面にリッジ溝３３が形成されており、リッジ型光導波路コア３４が形成されている。リッジ溝３３は、光学材料層３１の底面側に形成することもできる。コア３４は、入射面３４ａ、出射面３４ｂ、ブラッググレーティング３２が形成されたグレーティング部３４ｄ、グレーティング部３４ｄと入射面３４ａとの間の入射側伝搬部３４ｃおよびグレーティング部３４ｄと出射面３４ｂとの間の出射側伝搬部３４ｅを備えている。
　光源の活性層から出射した光は、光導波路コア３４に入射し、コア３４を伝搬する。このときブラッググレーティングによって一部が反射され、反射光が矢印Ｇのように逆方向に伝搬して光源に戻る。これによってブラッググレーティングと光源の活性層との間で外部共振器を構成する。そして、コア３４の伝搬光は最終的に出射面３４ｂから出射し、蛍光体層１８内で波長変換を受け、白色光となって矢印Ｈのように外部に放射される。
　光学材料層には複数のリッジ型光導波路コアを形成することもでき、これによって蛍光体層に入射する光量を増加させることができる。この場合には、光源も複数設け、各光導波路コアの入射面とそれぞれ光源の活性層と対向させることが好ましい。
　好適な実施形態においては、図１１（ａ）に示すように、支持基板１７上に下側バッファ層１６を介して光学材料層３１が形成されている。光学材料層３１には例えば一対のリッジ溝３３が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型光導波路コア３４が形成されている。ブラッググレーティングは、光導波路コアの支持基板側に設けることができ、あるいは支持基板とは反対側に設けることができる。３７は薄肉部であり、３８は延在部である。本例では上側クラッド層がない。なお、下側クラッド層１６と支持基板１７との間に接着層を設けることもできる。なお、Ｔｓは光導波路コアの厚さである。
　また、図１１（ｂ）に示す素子では、光学材料層３１上に更に上側クラッド層１５が形成されている。
　また、図１１（ｃ）に示すように、支持基板１７上に下側クラッド層１６を介して光学材料層３１が形成されている。光学材料層３１には例えば一対のリッジ溝３３が形成されており、リッジ溝の間にリッジ型光導波路コア３４が形成されている。本例ではリッジ溝が支持基板側に設けられている。３７は薄肉部であり、３８は延在部である。
　好適な実施形態においては、光導波路が、光学材料からなるコアからなり、コアの周りをクラッドが包囲している。このコアの横断面（光の伝搬方向と垂直な方向の断面）形状は凸図形となるようにする。
　凸図形とは、コアの横断面の外側輪郭線の任意の二点を結ぶ線分が、コアの横断面の外側輪郭線の内側に位置することを意味する。凸図形は、一般的な幾何学用語である。このような図形としては、三角形、四角形、六角形、八角形などの多角形、円形、楕円形などを例示できる。四角形としては、特に、上辺と下辺と一対の側面を有する四角形が好ましく、台形が特に好ましい。
　たとえば図１２（ａ）に示すように、支持基板１７上に下側クラッド層１６を介して、光学材料よりなる光導波路コア４１が形成されている。コア４１の横断面形状は台形であり、上面４１ａが下面４１ｂよりも狭い。なお、クラッド層１６と支持基板１７との間に接着層を形成することもできる。
　図１２（ｂ）に示す素子では、支持基板１７上にクラッド層４２が設けられており、クラッド層４２内に、光学材料よりなる光導波路コア４１が埋設されている。クラッド層４２は、光導波路コアの上面を被覆する上面被覆部４２ｂ、光導波路の側面を被覆する側面被覆部４２ｃおよび光導波路と支持基板との間に位置する底面被覆部４２ａを有する。
　図１２（ｃ）に示す素子では、支持基板１７上にクラッド層４２が設けられており、クラッド層４２内に、光学材料よりなる光導波路コア４１Ａが埋設されている。クラッド層４２は、コアの上面を被覆する上面被覆部４２ｂ、コアの側面を被覆する側面被覆部４２ｃおよびコアと支持基板との間にある底面被覆部４２ａを有する。
　また、図１３（ａ）に示す素子では、支持基板１７上に下側クラッド層１６を介して、光学材料よりなる光導波路コア４１が形成されている。光導波路コア４１の側面および上面４１ａには、上側クラッド層４３が形成され、光導波路コア４１を被覆している。上側クラッド層４３は、光導波路４１の側面を被覆する側面被覆部４３ｂおよび上面を被覆する上面被覆部４３ａを有する。
　また、図１３（ｂ）に示す素子では、光学材料よりなる光導波路コア４１Ａが形成されている。光導波路４１Ａの横断面形状は台形であり、下面が上面よりも狭い。上側クラッド層４３は、光導波路コア４１Ａの側面を被覆する側面被覆部４３ｂおよび上面を被覆する上面被覆部４３ａを有する。
　なお、光導波路の幅Ｗは、横断面において光導波路の幅の最小値を意味する。光導波路の形状が上面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは上面の幅であり、光導波路の形状が下面が狭い台形の場合には、光導波路の幅Ｗは下面の幅である。
　好適な実施形態においては、光導波路がチャネル型光導波路であり、光学素子の入射面における光導波路幅よりも出射面における光導波路幅のほうが大きい。これによって、蛍光体層に入射する光ビームを大きくし、蛍光体層の加熱を抑制することが可能である。この場合、特に好ましくは、光導波路の入射面と出射面の間にテーパ部を設け、テーパ部の幅を入射面側から出射面側へと向かって大きくする。これによって、光の伝搬損失を最小限とし、発光強度を高くできる。
　図１４は、この実施形態に係るものであり、光学素子５０に形成されたチャネル型光導波路５１の平面的パターンを示す。光導波路５１は、入射部５１ａ、グレーティングが設けられたグレーティング部５１ｂ、テーパ部５１ｃおよび出射部５１ｄを備えている。入射部５１ａにおける光導波路幅Ｗｉｎよりも、出射部５１ｄにおける光導波路幅Ｗｏｕｔのほうが大きい。この場合、蛍光体層の発熱を抑制するという観点からは、Ｗｏｕｔ／Ｗｉｎは、２以上が好ましく、５以上が特に好ましい。また、上限値の制限は特にないが、大きくしても光が十分に広がらなくなることからは、Ｗｏｕｔ／Ｗｉｎは、１０００以下が好ましく、５００以下が特に好ましい。
　グレーティング部の幅Ｗｇｒは、横モードをマルチモードにしてスペックルノイズを抑制するという観点からは、３μｍ以上が好ましく、５μｍ以上が更に好ましい。また、グレーティング部の幅Ｗｇｒは、レーザ発振を安定にするという観点から１０μｍ以下が好ましく、更に７μｍ以下が好ましい。
Ｗｇｒが光源のスポットサイズ（ニアフィールド径）よりも大きい場合には、入力部にもテーパ部を設けて、ＷｉｎをＷｇｒよりも小さくすることができる。
　本例では、グレーティング部５１ｂの幅Ｗｇｒが入射部の幅Ｗｉｎと同じになっている。また、テーパ部５１ｃの幅は、入射側ではＷｉｎであり、出射面側ではＷｏｕｔになっており、その間では入射面５１ｅ側から出射面５１ｆ側へと向かって徐々に増大している。
　なお、チャネル型光導波路がリッジ型光導波路である場合には、チャネル型光導波路の幅Ｗｉｎ、Ｗｏｕｔ、Ｗｇｒは、前述した幅Ｗと同様にして決定するものとする。
　光学素子の全長Ｌｗｇは、特に限定されないが、通常は１ｍｍ～３０ｍｍが好ましい。また、グレーティング部５１ｄの長さＬｇは、外部共振器としての機能という観点からは、１０μｍ以上が好ましい。テーパ部５１ｂの長さＬｔｐは、伝搬損失低減という観点からは、５０μｍ～５０００μｍが好ましい。
　好適な実施形態においては、光導波路コア下のクラッドと支持基板との間に、光導波路からの放射光を反射する反射膜を設ける。これによって、素子外に放射する放射光の光量を高くすることができる。こうした反射膜としては、金、アルミニウム、銅、銀、等の金属膜、あるいは、誘電体多層膜であってよい。反射膜として金属膜を使用する場合には、その上に形成するクラッド層がはがれないようにするために、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等の金属層を金属膜のバッファ層として形成することができる。
　ブラッググレーティングは以下のようにして物理的、あるいは化学的なエッチングにより形成することができる。
　具体例として、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属膜を光学材料層上に成膜し、フォトリソグラフィーにより周期的に窓を形成しエッチング用マスクを形成する。その後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング装置で周期的なグレーティング溝をクラッド層に形成する。次いで、金属マスクを除去する。
　リッジ型光導波路は、例えば外周刃による切削加工やレーザアブレーション加工することによって物理的に加工し、成形することによって得られる。あるいは、リッジ型光導波路も、ドライエッチングによって形成することができる。
　下側クラッド層、上側クラッド層の材質は、光導波路層よりも屈折率の小さい材料であればよく、接着層であってもよい。上側クラッド層は、空気であってもよく、この場合は、上側クラッド層がない場合と等しい。また、各クラッド層の材質は、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、ＣａＦ２が特に好ましい。
　光導波路コアの材質としては、ＳｉＯ２を含む酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等の酸化物、あるいはＳｉＯ２を含むガラス材料であってもよい。
　支持基体の具体的材質は特に限定されず，ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英ガラスなどのガラスや水晶であってよい。しかし、光源の熱が蛍光体に伝導すること、あるいは、波長変換や外部から蛍光体自体が加熱することを抑制するために、放熱特性のよい支持基板を使用することができる。この場合には、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、Ｓｉなどを例示することができる。
　また、光源素子、グレーティング素子の各端面は、それぞれ、端面反射を抑制するために斜めカットしていてもよい。また、グレーティング素子と支持基板の接合は、接着固定でもよく、直接接合でもよい。支持基板にスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の成膜法によりグレーティング素子を形成してもよい。
　光源の光学素子とは反対側の外側端面には、図示しない無反射膜を設けることができる。活性層の光学素子側の端面には、低反射膜を設けることができるが、無反射膜を形成することもできる。更に、光学素子の光導波路の入射面には、図示しない無反射膜を設けることができる。
　これら無反射膜の反射率は、グレーティング反射率よりも小さい値であればよく、さらに０．１％以下が好ましい。しかし、端面における反射率がグレーティング反射率よりも小さい値であれば、無反射膜はなくてもよく、無反射膜の代わりに反射膜を設けることもできる。
　無反射層の反射率は、グレーティング反射率以下である必要があり、無反射層に成膜する膜材としては、二酸化珪素、五酸化タンタル、フッ化マグネシウムなどの酸化物で積層した膜が例示できる。
　この場合、レーザ光の発振波長は、ブラッググレーティングにより反射される波長で決定される。ブラッググレーティングによる反射光と活性層のグレーティング素子側の端面からの反射光がレーザのゲイン閾値を上回れば、発振条件を満足する。これにより波長安定性の高いレーザ光を得ることができる。
　波長安定性をより高くするには、グレーティングからの帰還量を大きくすればよく、この観点からグレーティングの反射率は活性層の端面における反射率よりも大きくする方が好ましい。
　光源としては、照明用蛍光体ガラスの励起用として高い信頼性を有するＧａＮ系材料による半導体レーザが好適である。また、一次元状に配列したレーザアレイ等の光源も実現可能である。スーパールミネッセンスダイオードや半導体光アンプ（ＳＯＡ）であってもよい。
　好適な実施形態においては、光導波路の入射面に、光導波路の材質の屈折率よりも低い屈折率を有する材質からなる単層膜が形成されている。こうした単層膜の厚さは、ＡＲコートのように厳密に決定する必要はなく、単に単層膜を形成することによって端面反射を低減することができる。ここで、多層膜にすると、多層膜間の屈折率と厚さの関係によっては、反射抑制の度合いが低下したり、無くなったりする可能性があり、多層膜の各層の厚さを制御する必要があるので、単層膜の方が優れている。これにより光学素子の端面反射率は単層膜がない場合よりも確実に低減することができる。単層膜の厚みは、好適には１μｍ以下である。
　光源素子は複数個アレイ上に並列に配置し、光導波路に入力することにより、小型化、かつ高出力の照明装置を実現することができる。
　半導体レーザと蛍光体から白色光を発生する方法は、特には限定されないが、以下の方法が考えられる。
　青色レーザと蛍光体により黄色の蛍光を発生し、白色光を得る方法
　青色レーザと蛍光体により赤色と緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
　また青色レーザや紫外レーザから蛍光体により赤色、青色、緑色の蛍光を発生し白色光を得る方法
　青色レーザや紫外レーザから蛍光体により青色と黄色の蛍光を発生し白色光を得る方法
　蛍光体としては、蛍光体ガラスや単結晶が好ましい。
　蛍光体ガラスは、ベースとなるガラス中に希土類元素イオンを分散したものである。
　ベースとなるガラスとしては、シリカ、酸化ホウ素、酸化カルシウム、酸化ランタン、酸化バリウム、酸化亜鉛、酸化リン、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化ストロンチウム、塩化バリウムを含む酸化ガラスが例示でき、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）であってもよい。
　蛍光体ガラス中に分散される希土類元素イオンとしては、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄ、が好ましいが、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｌｕであってもよい。
　蛍光体として、ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、サイアロン系、ＢＯＳ（バリウム・オルソシリケート）系、
ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、ＬｕＡＧ（ルテチウム・アルミニウム・ガーネット）が例示できる。
また蛍光体は焼結合成された多結晶であっても、単結晶であってもよい。光の伝搬損失低減の観点からは、単結晶蛍光体であることが好ましい。
　蛍光体単結晶としては、Ｔｂ、Ｅｕ、Ｃｅ、Ｎｄ等の希土類元素イオンをドープしたＹ３Ａｌ５Ｏ１２が好ましい。
（実施例１）
　図５に示すような照明モジュールを作製した。
　具体的には、窒化アルミニウムからなる支持基板１７上に、スパッタ装置にて、ＳｉＯ２からなる下側クラッド層１６を厚さ１．０μｍ成膜し、次にスパッタ装置にてコア１４としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を２μｍ成膜した。さらに、スパッタ装置にてＳｉＯ２からなる上側クラッド層１５を厚さ０．５μｍ成膜した。
　その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、片側端面に０．１％のＡＲコートを形成し、さらにその反対側の端面には蛍光体を５０μｍ塗布した。最後にチップ切断を行い、スラブ型導波路グレーティング素子を作製した。素子サイズは、幅１０ｍｍ、長さＬｗｇ１０ｍｍとした。
　窒化アルミニウムからなる支持基板１２に、波長４５０ｎｍ、出力３０ｍＷのＧａＮ系青色レーザ光源１１を実装した。この光源を、チップ化したグレーティング素子に光学的に結合し、ＡｕＳｎ半田にて固定してモジュールを作製した。モジュールの大きさは、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ２ｍｍであった。
　蛍光体層１８からの出射面でのニアフィールドのスポット形状は幅５０μｍ、高さ２μｍの大きさで放射していることを確認できた。この結果、モジュールの出力側から平均３ｌｍの出力変動のない白色光が観測できた。このとき、１０００時間連続動作させても、出力の変動がないことが確認できた。
（実施例２）
　図７、図１０に示すような照明モジュールを作製した。ただし、リッジ型光導波路の横断面は図１１（ｂ）に示す形状とした。
　具体的には、窒化アルミニウムからなる支持基板１７上に、スパッタ装置にて、ＳｉＯ２からなる下側クラッド層１６を厚さ１．０μｍ成膜し、次にスパッタ装置にて、コア２４としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を２μｍ成膜した。その後、コア２４上に、スパッタ装置にてＴｉを成膜し、グレーティングパターンを、電子ビーム露光および反応性イオンエッチング装置にてエッチングして形成した。さらに、このＴｉパターンを、マスクとしてＳｉＯ２を使用し、上と同じ装置にてエッチングすることにより、ピッチ間隔Λ１２８ｎｍ、長さ１００μｍのグレーティング溝を形成し、ブラッググレーティング２７を得た。グレーティングの溝深さｔｄは２００ｎｍとした。
　次に、上記と同様な方法で、反応性イオンエッチングにより、深さ１．６μｍのリッジ溝３３およびリッジ型光導波路コア３４を形成した。図１４に示すように、レーザ光の入力部の幅Ｗｉｎ、グレーティング部の幅Ｗｇｒを３μｍとし、出射部の幅Ｗｏｕｔを５０μｍとし、グレーティング部と出射部との間には、幅を徐々に変えるテーパ部を設けた。テーパ部の長さＬｔｐは３ｍｍとした。さらに、スパッタ装置にて、ＳｉＯ２からなる上側クラッド層１５を厚さ０．５μｍ成膜した。
　その後、ダイシング装置にてバー状に切断し、両端面を光学研磨し、片側端面に０．１％のＡＲコートを形成し、さらにその反対側の端面には蛍光体を５０μｍ塗布した。最後にチップ切断を行い、リッジ型導波路グレーティング素子を作製した。素子サイズは幅１０ｍｍ、長さＬｗｇ１０ｍｍとした。
　チップ化したグレーティング素子に、窒化アルミニウム基板に実装された波長４５０ｎｍ、出力３０ｍＷのＧａＮ系青色レーザ光源を光学的に結合し、ＡｕＳｎ半田にて固定し、モジュールを作製した。モジュールの大きさは、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ２ｍｍであった。このときレーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動は１％以内であった。また、レーザ光の波長特性を光スペクトルアナライザーで測定した結果、グレーティングによる外部共振器が構成されており、縦モードのマルチモード性が顕著になり、発振波長の領域が拡大し、パワーが安定することがわかった。
　グレーティング部の幅Ｗｇｒは５０μｍと大きくしており、横モードがマルチモードであるために、グレーティングによる反射は複数の波長でおこる。また、グレーティングの反射特性の半値幅は、例えば基本モードで６ｎｍ程度となるため、横モードの反射特性が重なる波長領域が存在するために、マルチモード性がより顕著になると推測できる。これによりスペックルノイズも抑制できる。
　この結果、モジュールの出力側から平均２．５ｌｍの出力変動のない白色光が観測できた。このとき１０００時間連続動作させても、出力の変動がないことが確認できた。
（実施例３）
　実施例２と同様に、図７、図１０に示すような照明モジュールを作製した。ただし、リッジ型光導波路の横断面は図１１（ｂ）に示す形状とした。
　ただし、リッジ型光導波路は、８０μｍ間隔で４個形成した。その後、実施例２と同じレーザ光源を８０μｍ間隔に配置したレーザアレイを対向させ、モジュールを作製した。モジュールの大きさは、幅１０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、高さ２ｍｍであった。
　レーザ光の出力をモニター用フォトダイオードで測定した結果、出力変動はそれぞれ１％以内であった。また、レーザ光の波長特性を光スペクトルアナライザーで測定した結果、それぞれについてグレーティングによる外部共振器が構成されており、縦モードのマルチモード性が顕著になり、発振波長の領域が拡大し、パワーが安定していることがわかった。
　出射部の幅Ｗｏｕｔ、グレーティング部の幅Ｗｇｒは、実施例２と同じように、それぞれ５０μｍと大きくしており、横モードがマルチモードであるために、グレーティングによる反射は複数の波長でおこる。また、グレーティングの反射特性の半値幅は、例えば基本モードで６ｎｍ程度となるため、横モードの反射特性が重なる波長領域が存在するために、マルチモード性がより顕著になると推測できる。これによりスペックルノイズも抑制できる。
　この結果、モジュールの出力側から、平均１０ｌｍの出力変動のない白色光が観測できた。このとき１０００時間連続動作させても、出力の変動がないことが確認できた。
（比較例１）
　図３に示すような照明モジュールを作製した。モジュール用パッケージにφ１０ｍｍのレンズと５０μｍ厚みの蛍光体を取り付け、ＣＡＮ型の実施例１と同じ特性のレーザ光源を光学的に調芯し、ＡｕＳｎはんだにて固定し、モジュールを作製した。モジュールの大きさは、直径φ１２ｍｍ、長さ４０ｍｍであった。
　モジュールの特性を測定した。蛍光体からの放射面でのニアフィールドのスポット形状は直径φ１０μｍであった。またモジュールの出力側から平均２．７ｌｍの白色光が観測できた。このとき１００時間連続動作させると、出力の変動が±１０％あることが確認できた。この原因は、スポット形状が小さいために、蛍光体部での光吸収により蛍光体が加熱し、効率が変動してしまったと考えられる。

 

Claims (6)

  1. 　支持基板、前記支持基板上に設けられたクラッド、前記クラッド上に設けられ、入射面と出射面を有する光導波路コア、および前記光導波路コアの前記出射面側に設けられた蛍光体層を備えている光学素子であって、
    　前記光導波路コアの伝搬光を前記蛍光体層に透過させることによって白色光を発生することを特徴とする、光学素子。
  2. 　前記光導波路コアにブラッググレーティングが設けられていることを特徴とする、請求項１記載の光学素子。
  3. 　前記光導波路コアがリッジ型光導波路またはスラブ型光導波路を構成することを特徴とする、請求項１または２記載の光学素子。
  4. 　請求項１～３のいずれか一つの請求項に記載の光学素子、および前記入射面への入射光を供給する光源を備えていることを特徴とする、発光装置。
  5. 　前記光導波路コアにブラッググレーティングが設けられており、前記光源と前記ブラッググレーティングとが外部共振器を構成することを特徴とする、請求項４記載の装置。
  6. 　前記光源が、半導体レーザ、発光ダイオードまたは光ファイバーであることを特徴とする、請求項４または５記載の装置。
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